JP2011029327A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To excellently connect plugs which are stacked to each other. <P>SOLUTION: A method for manufacturing a semiconductor device includes: forming a first interlayer insulating film on a semiconductor substrate; forming a first hole in the first interlayer insulating film; forming a barrier film inside the first hole; filling a conductive material in the first hole to form a first plug; forming a second interlayer insulating film on the first interlayer insulating film; forming a second hole reaching the first plug in the second interlayer insulating film; selectively etching the upper end of the barrier film inside the second hole; and forming a second plug for connection to the first plug inside the second hole. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

半導体装置においては、その微細化、高密度化に伴って、多層配線構造やＤＲＡＭメモリセルのスタック型構造などの種々の３次元構造が採用されている。このような３次元構造においては、層間絶縁膜を貫通して上層側の導電部と下層側の導電部を接続するプラグが設けられている。   In semiconductor devices, various three-dimensional structures such as a multi-layer wiring structure and a stacked structure of DRAM memory cells are employed in accordance with miniaturization and high density. In such a three-dimensional structure, a plug that penetrates the interlayer insulating film and connects the upper conductive portion and the lower conductive portion is provided.

例えば、特開２００８−１９２６８１号公報には、ＤＲＡＭのスタック型メモリセルにおいて、半導体基板上に設けられたトランジスタに接続するセルコンタクトプラグと、上層側のキャパシタに接続する容量コンタクトプラグとが接続された構造、および半導体基板上に設けられたトランジスタに接続するセルコンタクトプラグと、上層側のビット線に接続するビットコンタクトプラグとが接続された構造が開示されている。   For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-192681, in a stacked memory cell of DRAM, a cell contact plug connected to a transistor provided on a semiconductor substrate and a capacitor contact plug connected to a capacitor on an upper layer side are connected. And a structure in which a cell contact plug connected to a transistor provided on a semiconductor substrate and a bit contact plug connected to an upper bit line are connected.

一方、プラグの形成は、通常、次のようにして行われる。まず、層間絶縁膜にホールを形成し、このホール内にバリア膜を形成する。次に、このホールを充填するように導電膜を形成する。その後、ホール外のバリア膜および導電膜を除去して目的のプラグを得る。   On the other hand, the plug is usually formed as follows. First, a hole is formed in the interlayer insulating film, and a barrier film is formed in the hole. Next, a conductive film is formed so as to fill the holes. Thereafter, the barrier film and the conductive film outside the hole are removed to obtain a target plug.

例えば、特開２００６−６６６４２号公報には、層間絶縁膜に設けたホール内にバリア膜として窒化チタン層を形成し、このホールを充填するようにタングステン層を形成する、プラグの形成方法が開示されている。この方法においては、フッ素を含む材料を用いたＣＶＤ成膜法によりタングステン層を形成し、その後、タングステン層からフッ素を除去する処理を行っている。   For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2006-66642 discloses a plug forming method in which a titanium nitride layer is formed as a barrier film in a hole provided in an interlayer insulating film, and a tungsten layer is formed so as to fill the hole. Has been. In this method, a tungsten layer is formed by a CVD film forming method using a material containing fluorine, and thereafter, a process of removing fluorine from the tungsten layer is performed.

特開２００８−１９２６８１号公報JP 2008-192681 A 特開２００６−６６６４２号公報JP 2006-66642 A

本発明者は、複数のプラグをスタックし接続する方法には、以下の問題があることを明らかにした。   The inventor has clarified that the method of stacking and connecting a plurality of plugs has the following problems.

図８及び図９を用いて、ＤＲＡＭのスタック型メモリセルの形成において、セルコンタクトプラグ上にビットコンタクトプラグを形成する場合の問題を説明する。   A problem in forming a bit contact plug on a cell contact plug in the formation of a DRAM stacked memory cell will be described with reference to FIGS.

図８は、セルコンタクトプラグに接続するビットコンタクトプラグを形成するためのホールを層間絶縁膜に形成した際の構造を示す断面図である。図中の符号１はシリコン基板、符号２は素子分離酸化膜、符号３はゲート電極の下層部（ポリシリコン）、符号４はゲート電極の上層部（タングステン）、符号５はシリコン窒化膜、符号６はポリシリコンエピタキシャル層、符号７は層間絶縁膜、符号８はバリア膜（窒化チタン）、符号９はプラグバルク部（タングステン）を示す。図中においてソース／ドレインは省略する。   FIG. 8 is a cross-sectional view showing a structure when holes for forming a bit contact plug connected to a cell contact plug are formed in an interlayer insulating film. In the figure, reference numeral 1 is a silicon substrate, reference numeral 2 is an element isolation oxide film, reference numeral 3 is a lower layer part of the gate electrode (polysilicon), reference numeral 4 is an upper layer part (tungsten) of the gate electrode, reference numeral 5 is a silicon nitride film, reference numeral Reference numeral 6 denotes a polysilicon epitaxial layer, reference numeral 7 denotes an interlayer insulating film, reference numeral 8 denotes a barrier film (titanium nitride), and reference numeral 9 denotes a plug bulk portion (tungsten). In the figure, the source / drain is omitted.

まず、通常の方法に従って、半導体基板上にセルトランジスタを形成し、層間絶縁膜を貫通するセルコンタクトプラグ（窒化チタンバリア膜８、タングステンバルク部９）を形成し、さらに層間絶縁膜を形成する。   First, according to a normal method, a cell transistor is formed on a semiconductor substrate, a cell contact plug (titanium nitride barrier film 8, tungsten bulk portion 9) penetrating the interlayer insulating film is formed, and an interlayer insulating film is further formed.

次に、図８に示すように、層間絶縁膜７に、ビットコンタクトプラグを形成するためのホールを、リソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて形成する。このとき、セルコンタクトプラグの窒化チタンバリア膜８の上端部が変質して、窒化チタンのＴｉとドライエッチングガス成分に含まれるＦを含む変質層１７が形成される。   Next, as shown in FIG. 8, a hole for forming a bit contact plug is formed in the interlayer insulating film 7 by using a lithography technique and a dry etching technique. At this time, the upper end portion of the titanium nitride barrier film 8 of the cell contact plug is altered, and the altered layer 17 containing Ti contained in the titanium nitride and F contained in the dry etching gas component is formed.

次に、このホール内に窒化チタン膜１０を形成し、次いでこのホールを充填するようにタングステン膜１１を形成し、続いて、図９に示すように、化学機械的研磨（ＣＭＰ）などによりホール外の窒化チタン膜及びタングステン膜を除去してビットコンタクトプラグ（窒化チタンバリア膜１０、タングステンバルク部１１）を形成する。このビットコンタクトプラグは、後に形成されるビット電極と接続される。   Next, a titanium nitride film 10 is formed in the hole, and then a tungsten film 11 is formed so as to fill the hole. Subsequently, as shown in FIG. 9, the hole is formed by chemical mechanical polishing (CMP) or the like. The outer titanium nitride film and tungsten film are removed to form bit contact plugs (titanium nitride barrier film 10 and tungsten bulk portion 11). This bit contact plug is connected to a bit electrode to be formed later.

このように作製されたメモリセルにおいては、変質層１７によって、セルコンタクトプラグとビットコンタクトプラグとの間の導通不良や抵抗増大が発生する。   In the memory cell manufactured as described above, the deteriorated layer 17 causes a conduction failure and an increase in resistance between the cell contact plug and the bit contact plug.

さらに、セルコンタクトプラグ上に容量コンタクトプラグを形成する場合においても同様な問題が発生する。この問題について図１０及び図１１を用いて説明する。   Furthermore, a similar problem occurs when a capacitor contact plug is formed on the cell contact plug. This problem will be described with reference to FIGS.

図１０は、セルコンタクトプラグに接続する容量コンタクトプラグを形成するためのホールを層間絶縁膜に形成した際の構造を示す断面図である。   FIG. 10 is a cross-sectional view showing a structure when a hole for forming a capacitor contact plug connected to the cell contact plug is formed in the interlayer insulating film.

前述の図９に示す構造を形成後、ビット線に接続するビット電極１２を形成し、このビット電極１２を覆うシリコン窒化膜１３を形成し、層間絶縁膜１４を形成する。   After forming the structure shown in FIG. 9, the bit electrode 12 connected to the bit line is formed, the silicon nitride film 13 covering the bit electrode 12 is formed, and the interlayer insulating film 14 is formed.

次に、図１０に示すように、層間絶縁膜１４に、容量コンタクトプラグを形成するためのホールを、リソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて形成する。このとき、セルコンタクトプラグの窒化チタンバリア膜８の上端部が変質して、窒化チタンのＴｉとドライエッチングガス成分に含まれるＦを含む変質層１７が形成される。   Next, as shown in FIG. 10, holes for forming a capacitor contact plug are formed in the interlayer insulating film 14 by using a lithography technique and a dry etching technique. At this time, the upper end portion of the titanium nitride barrier film 8 of the cell contact plug is altered, and the altered layer 17 containing Ti contained in the titanium nitride and F contained in the dry etching gas component is formed.

次に、このホール内に窒化チタン膜１５を形成し、次いでこのホールを充填するようにタングステン膜１６を形成し、続いて、図１１に示すように、ＣＭＰなどによりホール外の窒化チタン膜及びタングステン膜を除去して容量コンタクトプラグ（窒化チタンバリア膜１５、タングステンバルク部１６）を形成する。この容量コンタクトプラグは、後に形成される容量下部電極とメタルパッド等を介して接続される。   Next, a titanium nitride film 15 is formed in the hole, and then a tungsten film 16 is formed so as to fill the hole. Subsequently, as shown in FIG. The tungsten film is removed to form a capacitive contact plug (titanium nitride barrier film 15, tungsten bulk portion 16). The capacitor contact plug is connected to a capacitor lower electrode to be formed later through a metal pad or the like.

このように作製されたメモリセルにおいては、変質層１７によって、セルコンタクトプラグと容量コンタクトプラグとの間においても導通不良や抵抗増大が発生する。   In the memory cell manufactured as described above, the deteriorated layer 17 causes poor conduction and increased resistance between the cell contact plug and the capacitor contact plug.

本発明の一態様によれば、半導体基板上に第１の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の層間絶縁膜に第１のホールを形成する工程と、
前記第１のホール内にバリア膜を形成する工程と、
前記第１のホール内に導電材を充填して第１のプラグを形成する工程と、
前記第１の層間絶縁膜上に第２の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の層間絶縁膜に前記第１のプラグに達する第２のホールを形成する工程と、
前記第２のホール内で前記バリア膜上端部を選択エッチングする工程と、
前記第２のホール内に、前記第１のプラグに接続する第２のプラグを形成する工程を有する半導体装置の製造方法が提供される。 According to one aspect of the present invention, a step of forming a first interlayer insulating film over a semiconductor substrate;
Forming a first hole in the first interlayer insulating film;
Forming a barrier film in the first hole;
Filling the first hole with a conductive material to form a first plug;
Forming a second interlayer insulating film on the first interlayer insulating film;
Forming a second hole reaching the first plug in the second interlayer insulating film;
Selectively etching the upper end of the barrier film in the second hole;
A method for manufacturing a semiconductor device is provided, which includes a step of forming a second plug connected to the first plug in the second hole.

本発明の他の態様によれば、半導体基板上に第１の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の層間絶縁膜に第１のホールを形成する工程と、
前記第１のホール内にチタン含有バリア膜を形成する工程と、
前記第１のホール内に導電材を充填して第１のプラグを形成する工程と、
前記第１の層間絶縁膜上に第２の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の層間絶縁膜に、フッ素原子含有成分を含むエッチングガスを用いたドライエッチングを行って、前記第１のプラグに達する第２のホールを形成する工程と、
前記第２のホール内で前記バリア膜上端部が変質して形成された変質層を選択エッチングして除去する工程と、
前記第２のホール内に、前記第１のプラグに接続する第２のプラグを形成する工程を有する半導体装置の製造方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, forming a first interlayer insulating film on a semiconductor substrate;
Forming a first hole in the first interlayer insulating film;
Forming a titanium-containing barrier film in the first hole;
Filling the first hole with a conductive material to form a first plug;
Forming a second interlayer insulating film on the first interlayer insulating film;
Forming a second hole reaching the first plug by performing dry etching on the second interlayer insulating film using an etching gas containing a fluorine atom-containing component;
Removing the altered layer formed by altering the upper end portion of the barrier film in the second hole by selective etching;
A method for manufacturing a semiconductor device is provided, which includes a step of forming a second plug connected to the first plug in the second hole.

本発明によれば、スタックされるプラグ同士の接続を良好に行うことができる。   According to the present invention, it is possible to satisfactorily connect stacked plugs.

本発明の一実施形態を適用して形成される半導体装置の部分断面図である。It is a fragmentary sectional view of the semiconductor device formed by applying one embodiment of the present invention. 図１に示す半導体装置の形成途中の工程を説明するための断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a process in the middle of forming the semiconductor device shown in FIG. 1. 図２に示す構造の形成工程に続く工程を説明するための断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a step that follows the formation step of the structure shown in FIG. 2. 図３に示す構造の形成工程に続く工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the process following the formation process of the structure shown in FIG. 図１に示す半導体装置の形成途中の他の工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the other process in the middle of formation of the semiconductor device shown in FIG. 図５に示す構造の形成工程に続く工程を説明するための断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a step that follows the formation step of the structure shown in FIG. 5. 図６に示す構造の形成工程に続く工程を説明するための断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a step that follows the formation step of the structure shown in FIG. 6. 関連技術について、ＤＲＡＭのメモリセルの形成途中の工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the process in the middle of formation of the memory cell of DRAM regarding related technology. 図８に示す構造の形成工程に続く工程を説明するための断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining a step that follows the formation step of the structure shown in FIG. 8. 関連技術について、ＤＲＡＭのメモリセルの形成途中の他の工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the other process in the middle of formation of the memory cell of DRAM about related technology. 図１０に示す構造の形成工程に続く工程を説明するための断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view for explaining a step that follows the formation step of the structure shown in FIG. 10.

以下に、本発明の好適な実施形態として、メタルプラグ同士の接続工程を含むＤＲＡＭ（ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ）の製造方法について説明する。特に、下層側のプラグ形成においてチタン含有バリア膜を用い、このプラグに接続される上層側のプラグ形成において、層間絶縁膜へのホール形成を、フッ素原子含有成分を含むエッチングガスを用いたドライエッチングにより行う場合を説明する。   Hereinafter, as a preferred embodiment of the present invention, a method for manufacturing a DRAM (dynamic random access memory) including a step of connecting metal plugs will be described. In particular, a titanium-containing barrier film is used in the lower-layer plug formation, and in the upper-layer plug formation connected to the plug, holes are formed in the interlayer insulating film by dry etching using an etching gas containing a fluorine atom-containing component. The case where it carries out by will be described.

図１に、ＤＲＡＭのスタック型メモリセル内における容量電極より下部の構造例（部分断面図）を示す。   FIG. 1 shows a structural example (partial cross-sectional view) below a capacitor electrode in a stacked memory cell of a DRAM.

図１において、シリコン基板１上には、素子分離酸化膜２で区画された活性領域に、同一のビット線電極１２に接続する一組のセルトランジスタが設けられている。各セルトランジスタのゲート電極は、ポリシリコン下層部３とタングステン上層部４からなり、ポリシコン下層部３の下部は半導体基板に形成された溝内にゲート酸化膜を介して設けられている。シリコン基板のゲート電極両側には不純物拡散層（図示せず）が形成され、その上に不純物を含むポリシリコンエピタキシャル層６が設けられている。ソース／ドレイン領域は、この不純物拡散層とポリシリコンエピタキシャル層６から形成されている。このように本例のセルトランジスタは、いわゆる溝ゲート型構造とソース／ドレインせり上げ構造を有している。   In FIG. 1, a set of cell transistors connected to the same bit line electrode 12 are provided on a silicon substrate 1 in an active region partitioned by an element isolation oxide film 2. The gate electrode of each cell transistor includes a polysilicon lower layer portion 3 and a tungsten upper layer portion 4, and the lower portion of the polysilicon lower layer portion 3 is provided in a groove formed in the semiconductor substrate via a gate oxide film. Impurity diffusion layers (not shown) are formed on both sides of the gate electrode of the silicon substrate, and a polysilicon epitaxial layer 6 containing impurities is provided thereon. The source / drain regions are formed from this impurity diffusion layer and the polysilicon epitaxial layer 6. Thus, the cell transistor of this example has a so-called trench gate type structure and a source / drain raised structure.

各セルトランジスタに接続するセルコンタクトプラグは、窒化チタンバリア膜８とタングステンバルク部９からなり、ポリシリコンエピタキシャル層６に接続されている。各セルコンタクトプラグの直上にはビットコンタクトプラグ（窒化チタンバリア膜１０、タングステンバルク部１１）又は容量コンタクトプラグ（窒化チタンバリア膜１５、タングステンバルク部１６）が設けられている。なお、図１中の符号５、１３はシリコン窒化膜、符号７、１４は層間絶縁膜を示す。   A cell contact plug connected to each cell transistor includes a titanium nitride barrier film 8 and a tungsten bulk portion 9 and is connected to the polysilicon epitaxial layer 6. A bit contact plug (titanium nitride barrier film 10, tungsten bulk portion 11) or a capacitive contact plug (titanium nitride barrier film 15, tungsten bulk portion 16) is provided immediately above each cell contact plug. In FIG. 1, reference numerals 5 and 13 denote silicon nitride films, and reference numerals 7 and 14 denote interlayer insulating films.

上述の構造を形成する方法について、まず、図２から図４を用いて説明する。   First, a method for forming the above-described structure will be described with reference to FIGS.

図２は、セルコンタクトプラグに接続するビットコンタクトプラグを形成するためのホールを層間絶縁膜７に形成した際の構造を示す断面図である。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a structure when a hole for forming a bit contact plug connected to the cell contact plug is formed in the interlayer insulating film 7.

まず、シリコン基板１上に素子分離酸化膜２を形成した後、ゲート電極（ポリシリコン下層部３とタングステン上層部４）を形成する。ゲート電極のポリシリコン下層部３は、シリコン基板１に設けた溝を充填するようにゲート酸化膜（図示しない）を介して形成する。その後、ゲート電極がシリコン窒化膜５で覆われた構造を形成する。このような構造は、例えば、次のようにして形成できる。まず、素子分離酸化膜２が形成されたシリコン基板１に溝を形成する。溝内に酸化膜を形成した後、この溝を充填するようにポリシリコン膜を形成し、この上にタングステン膜を形成し、さらにシリコン窒化膜を形成する。続いて、この積層膜をゲート形状にパターニングする。次いで、このゲートパターンを覆うようにシリコン窒化膜を形成し、エッチバックを行い、結果、シリコン窒化膜で覆われたゲート電極が得られる。   First, an element isolation oxide film 2 is formed on a silicon substrate 1, and then a gate electrode (polysilicon lower layer 3 and tungsten upper layer 4) is formed. The polysilicon lower layer 3 of the gate electrode is formed through a gate oxide film (not shown) so as to fill a groove provided in the silicon substrate 1. Thereafter, a structure in which the gate electrode is covered with the silicon nitride film 5 is formed. Such a structure can be formed as follows, for example. First, a groove is formed in the silicon substrate 1 on which the element isolation oxide film 2 is formed. After forming an oxide film in the groove, a polysilicon film is formed so as to fill the groove, a tungsten film is formed thereon, and a silicon nitride film is further formed. Subsequently, this laminated film is patterned into a gate shape. Next, a silicon nitride film is formed so as to cover the gate pattern, and etch back is performed. As a result, a gate electrode covered with the silicon nitride film is obtained.

次に、選択成長を行ってシリコン基板１上にポリシリコンエピタキシャル層６を形成する。   Next, selective growth is performed to form a polysilicon epitaxial layer 6 on the silicon substrate 1.

次に、ポリシリコンエピタキシャル層６及びその下のシリコン基板１に、不純物をイオン注入して、ソース／ドレイン領域（図示せず）を形成する。   Next, impurities are ion-implanted into the polysilicon epitaxial layer 6 and the underlying silicon substrate 1 to form source / drain regions (not shown).

次に、シリコン酸化膜等の層間絶縁膜を形成し、シリコン窒化膜５の上面が露出するまでＣＭＰを行い、再度シリコン酸化膜等の層間絶縁膜を形成する。   Next, an interlayer insulating film such as a silicon oxide film is formed, CMP is performed until the upper surface of the silicon nitride film 5 is exposed, and an interlayer insulating film such as a silicon oxide film is formed again.

次に、この層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する。その際、ゲート電極間においては、シリコン窒化膜５と層間絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）とのエッチングレートの違いによりセルフアラインでホール位置が決まる。   Next, contact holes are formed in the interlayer insulating film. At this time, between the gate electrodes, the hole position is determined by self-alignment due to the difference in etching rate between the silicon nitride film 5 and the interlayer insulating film (for example, silicon oxide film).

次に、コンタクトホール内に窒化チタン膜８を形成し、次いでコンタクトホールを充填するようにタングステン膜９を形成し、続いてＣＭＰを行ってホール外の窒化チタン膜およびタングステン膜を除去し、結果、セルコンタクトプラグ（窒化チタンバリア膜８、タングステンバルク部９）が得られる。   Next, a titanium nitride film 8 is formed in the contact hole, and then a tungsten film 9 is formed so as to fill the contact hole, followed by CMP to remove the titanium nitride film and the tungsten film outside the hole. Thus, a cell contact plug (titanium nitride barrier film 8, tungsten bulk part 9) is obtained.

次に、セルコンタクトプラグを覆う層間絶縁膜を形成する。なお、この層間絶縁膜は、図２においてはセルコンタクトプラグの形成前に形成した層間絶縁膜と一体に描いている。   Next, an interlayer insulating film covering the cell contact plug is formed. In FIG. 2, this interlayer insulating film is drawn integrally with the interlayer insulating film formed before the formation of the cell contact plug.

次に、図２に示すように、層間絶縁膜７に、ビットコンタクトプラグを形成するためのホールを、リソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて形成する。このとき、セルコンタクトプラグの窒化チタンバリア膜８の上端部が変質して、窒化チタンのＴｉとドライエッチングガスの成分に含まれるＦを含む変質層１７が形成される。   Next, as shown in FIG. 2, a hole for forming a bit contact plug is formed in the interlayer insulating film 7 by using a lithography technique and a dry etching technique. At this time, the upper end portion of the titanium nitride barrier film 8 of the cell contact plug is altered, and the altered layer 17 containing titanium contained in the titanium nitride and F contained in the dry etching gas component is formed.

次に、図３に示すように、塩素、三塩化ホウ素、アルゴンを含むエッチングガスを用い、メタルドライエッチャーで変質層１７を選択的にドライエッチングして除去する。ドライエッチング条件としては、例えば、圧力：１０ｍＴｏｒｒ（１．３３Ｐａ）、ソースパワー：８００Ｗ、バイアスパワー：１００Ｗ、エッチングガスの流量（Ｃｌ2／ＢＣｌ3／Ａｒ）＝８０／８０／８０ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｍ3／ｍｉｎ）に設定できる。 Next, as shown in FIG. 3, the altered layer 17 is selectively removed by dry etching with a metal dry etcher using an etching gas containing chlorine, boron trichloride, and argon. As dry etching conditions, for example, pressure: 10 mTorr (1.33 Pa), source power: 800 W, bias power: 100 W, etching gas flow rate (Cl 2 / BCl 3 / Ar) = 80/80/80 sccm (standard cm 3) / Min).

次に、このホール内に窒化チタン膜１０を形成し、次いでこのホールを充填するようにタングステン膜１１を形成し、続いて図４に示すように、ＣＭＰを行ってホール外の窒化チタン膜及びタングステン膜を除去してビットコンタクトプラグ（窒化チタンバリア膜１０、タングステンバルク部１１）を形成する。このビットコンタクトプラグは、後に形成されるビット電極と接続される。   Next, a titanium nitride film 10 is formed in the hole, and then a tungsten film 11 is formed so as to fill the hole. Subsequently, as shown in FIG. The tungsten film is removed to form bit contact plugs (titanium nitride barrier film 10 and tungsten bulk portion 11). This bit contact plug is connected to a bit electrode to be formed later.

以上の方法により、セルコンタクトプラグとビットコンタクトプラグを導通不良または抵抗増大を生じさせることなく良好に接続できる。   By the above method, the cell contact plug and the bit contact plug can be satisfactorily connected without causing poor conduction or increased resistance.

以下に、引き続いて容量コンタクトプラグを形成するまでの工程を図５から図７を用いて説明する。   In the following, the process up to the formation of the capacitor contact plug will be described with reference to FIGS.

ビットコンタクトプラグ（窒化チタンバリア膜１０、タングステンバルク部１１）上にビット電極１２（タングステン）を形成し、このビット電極１２がシリコン窒化膜１３で覆われた構造を形成する。この構造は、次のようにして形成できる。まず、タングステン膜を形成し、その上にシリコン窒化膜を形成する。次いでこの積層膜をパターニングする。次に、このパターンを覆うようにシリコン窒化膜を形成し、エッチバックを行い、結果、シリコン窒化膜で覆われたビット電極が得られる。   A bit electrode 12 (tungsten) is formed on the bit contact plug (titanium nitride barrier film 10, tungsten bulk portion 11), and a structure in which the bit electrode 12 is covered with the silicon nitride film 13 is formed. This structure can be formed as follows. First, a tungsten film is formed, and a silicon nitride film is formed thereon. Next, this laminated film is patterned. Next, a silicon nitride film is formed so as to cover this pattern, and etch back is performed. As a result, a bit electrode covered with the silicon nitride film is obtained.

次に、シリコン酸化膜などの層間絶縁膜１４を形成する。   Next, an interlayer insulating film 14 such as a silicon oxide film is formed.

次に、図５に示すように、層間絶縁膜１４に、容量コンタクトプラグを形成するためのホールを、リソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて形成する。このとき、セルコンタクトプラグの窒化チタンバリア膜８の上端部が変質して、窒化チタンのＴｉとドライエッチングガスの成分の成分に含まれるＦを含む変質層１７が形成される。   Next, as shown in FIG. 5, a hole for forming a capacitor contact plug is formed in the interlayer insulating film 14 using a lithography technique and a dry etching technique. At this time, the upper end portion of the titanium nitride barrier film 8 of the cell contact plug is altered, and the altered layer 17 containing F contained in the components of Ti of the titanium nitride and the components of the dry etching gas is formed.

次に、図６に示すように、塩素、三塩化ホウ素、アルゴンを含むエッチングガスを用い、メタルドライエッチャーで変質層１７を選択的にドライエッチングして除去する。ドライエッチング条件として、例えば、圧力：１０ｍＴｏｒｒ（１．３３Ｐａ）、ソースパワー：８００Ｗ、バイアスパワー：１００Ｗ、エッチングガスの流量（Ｃｌ2／ＢＣｌ3／Ａｒ）＝８０／８０／８０ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｍ3／ｍｉｎ）に設定できる。 Next, as shown in FIG. 6, the altered layer 17 is selectively removed by dry etching with a metal dry etcher using an etching gas containing chlorine, boron trichloride, and argon. As dry etching conditions, for example, pressure: 10 mTorr (1.33 Pa), source power: 800 W, bias power: 100 W, etching gas flow rate (Cl 2 / BCl 3 / Ar) = 80/80/80 sccm (standard cm 3 / min).

次に、このホール内に窒化チタン膜１５を形成し、次いでこのホールを充填するようにタングステン膜１６を形成し、続いて図７に示すように、ＣＭＰを行ってホール外の窒化チタン膜及びタングステン膜を除去して容量コンタクトプラグ（窒化チタンバリア膜１５、タングステンバルク部１６）を形成する。この容量コンタクトプラグは、後に形成される蓄積容量下部電極とメタルパッド等を介して接続される。   Next, a titanium nitride film 15 is formed in the hole, and then a tungsten film 16 is formed so as to fill the hole. Subsequently, as shown in FIG. The tungsten film is removed to form a capacitive contact plug (titanium nitride barrier film 15, tungsten bulk portion 16). This capacitor contact plug is connected to a storage capacitor lower electrode to be formed later through a metal pad or the like.

以上に説明したように、本実施形態では、下側のプラグに達するホールをドライエッチングにより形成する際にそのプラグのバリア膜上端部に生じる変質層をエッチング除去する。その後に、下側のプラグに接続する上側のプラグをこのホール内に形成する。これにより、下側プラグと上側プラグの接続部の導通不良および抵抗増大を防止でき、良好な接続を行うことができる。   As described above, in this embodiment, when a hole reaching the lower plug is formed by dry etching, the altered layer generated at the upper end portion of the barrier film of the plug is removed by etching. Thereafter, an upper plug connected to the lower plug is formed in the hole. As a result, it is possible to prevent conduction failure and increase in resistance at the connection portion between the lower plug and the upper plug, and to perform good connection.

変質層の形成は、下側プラグのバリア膜として、チタン含有バリア膜、例えば窒化チタン膜を用い、且つ、下側プラグに達するホール形成時のエッチングとして、フッ素原子含有成分を含むエッチングガスを用いたドライエッチングを行う場合に顕著になる。フッ素原子含有成分としては、酸化膜エッチングに用いられる通常のエッチングガス成分を用いることができ、例えば、ＣＦ4、ＣＨＦ3、Ｃ4Ｆ8が挙げられる。この場合、変質層は、バリア膜由来のチタン（Ｔｉ）とエッチングガス成分由来のフッ素（Ｆ）を含む。 For the formation of the altered layer, a titanium-containing barrier film, for example, a titanium nitride film, is used as a barrier film for the lower plug, and an etching gas containing a fluorine atom-containing component is used for etching at the time of hole formation reaching the lower plug. This becomes noticeable when dry etching is performed. As the fluorine atom-containing component, a normal etching gas component used for oxide film etching can be used, and examples thereof include CF 4 , CHF 3 , and C 4 F 8 . In this case, the altered layer includes titanium (Ti) derived from the barrier film and fluorine (F) derived from the etching gas component.

このようなＴｉとＦを含む変質層は、塩素、三塩化ホウ素および塩化水素の少なくとも一種を含むエッチングガスを用いたドライエッチングにより、下側プラグのバルク部（例えばタングステンバルク部）に対して選択エッチングすることができる。このエッチングガスは、必要に応じて、アルゴン、窒素、ヘリウム等の不活性ガスを含んでいてもよい。   Such an altered layer containing Ti and F is selected with respect to the bulk portion (for example, tungsten bulk portion) of the lower plug by dry etching using an etching gas containing at least one of chlorine, boron trichloride, and hydrogen chloride. It can be etched. This etching gas may contain an inert gas such as argon, nitrogen, or helium as necessary.

ドライエッチング処理は、以下の三通りの方法のいずれかで行うことができる。一つ目は、絶縁膜ドライエッチャーを用いて上側のホールを開口し、その後、絶縁膜ドライエッチャーとは別のドライエッチャーであるメタルドライエッチャーを用いて変質層の除去を行う方法である。二つ目は、絶縁膜エッチングチャンバーとメタルエッチングチャンバーを備えたドライエッチャーを用い、絶縁膜エッチングチャンバー内で上側のホールを開口し、その後、メタルエッチングチャンバー内で変質層の除去を行う方法である。三つ目は、同一のエッチングチャンバーに絶縁膜ドライエッチングガスラインとメタルドライエッチングガスラインが接続されたドライエッチャーを用い、このエッチングチャンバー内で、上側のホールを開口し、その後、変質層の除去を行う方法である。   The dry etching process can be performed by any of the following three methods. The first is a method in which an upper hole is opened using an insulating film dry etcher, and then the altered layer is removed using a metal dry etcher which is a dry etcher different from the insulating film dry etcher. The second method is to use a dry etcher having an insulating film etching chamber and a metal etching chamber, open an upper hole in the insulating film etching chamber, and then remove the altered layer in the metal etching chamber. . Third, a dry etcher in which an insulating film dry etching gas line and a metal dry etching gas line are connected to the same etching chamber, an upper hole is opened in the etching chamber, and then the altered layer is removed. It is a method to do.

通常、ホールは順テーパー形状（ホール底へ向うに従って内径が小さくなる形状）で形成されるため、変質層の除去の際、選択性のないエッチング条件で下側プラグの上部（例えば、窒化チタンバリア膜及びタングステンバルク部）を掘り込むと、下側プラグの上端部が小さくなる。すなわち、下側プラグと上側プラグとの接触面積が小さくなり、接続部での抵抗増大が生じる。これに対して、変質層をバリア膜とともに、バルク部に対し、選択的にドライエッチング除去することにより、接触面積縮小に起因する接続抵抗の増大を防止できる。むしろ、図３及び図６に示すように、下側プラグ（セルコンタクトプラグ）の上端部において、バリア膜上端部がバルク部上端部に対して後退し、バルク部が突出した形状が形成され、この突出部の側面が形成された分、上側プラグとの接触面積を大きくできる。   Usually, the hole is formed in a forward taper shape (a shape in which the inner diameter becomes smaller toward the bottom of the hole). Therefore, when removing the deteriorated layer, the upper portion of the lower plug (for example, a titanium nitride barrier) is removed under non-selective etching conditions. When the film and the tungsten bulk portion are dug, the upper end portion of the lower plug becomes smaller. That is, the contact area between the lower plug and the upper plug is reduced, resulting in an increase in resistance at the connection portion. In contrast, by selectively removing the altered layer together with the barrier film by dry etching with respect to the bulk portion, it is possible to prevent an increase in connection resistance due to a reduction in the contact area. Rather, as shown in FIGS. 3 and 6, at the upper end of the lower plug (cell contact plug), a shape in which the upper end portion of the barrier film recedes from the upper end portion of the bulk portion and the bulk portion protrudes is formed. The contact area with the upper plug can be increased by forming the side surface of the protrusion.

以上に説明した実施形態は、ＤＲＡＭメモリセルにおけるプラグ同士の接続に限定されるものではなく、多層配線構造等の他の構造の製造プロセスにおいても、プラグ同士の接続を行う工程に適用できる。   The embodiment described above is not limited to the connection between plugs in a DRAM memory cell, but can be applied to a process for connecting plugs in a manufacturing process of another structure such as a multilayer wiring structure.

１ シリコン基板
２ 素子分離酸化膜
３ ゲート電極下層部（ポリシリコン）
４ ゲート電極上層部（タングステン）
５ シリコン窒化膜
６ エピタキシャル層（ポリシリコン）
７ 層間絶縁膜
８ 窒化チタン（バリア膜）
９ タングステン（プラグバルク部）
１０ 窒化チタン（バリア膜）
１１ タングステン（プラグバルク部）
１２ ビット電極（タングステン）
１３ シリコン窒化膜
１４ 層間絶縁膜
１５ 窒化チタン（バリア膜）
１６ タングステン（プラグバルク部）
１７ 変質層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 2 Element isolation oxide film 3 Gate electrode lower layer part (polysilicon)
4 Gate electrode upper layer (tungsten)
5 Silicon nitride film 6 Epitaxial layer (polysilicon)
7 Interlayer insulation film 8 Titanium nitride (barrier film)
9 Tungsten (plug bulk part)
10 Titanium nitride (barrier film)
11 Tungsten (plug bulk part)
12 bit electrode (tungsten)
13 Silicon nitride film 14 Interlayer insulating film 15 Titanium nitride (barrier film)
16 Tungsten (plug bulk part)
17 Altered layer

Claims (7)

半導体基板上に第１の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の層間絶縁膜に第１のホールを形成する工程と、
前記第１のホール内にバリア膜を形成する工程と、
前記第１のホール内に導電材を充填して第１のプラグを形成する工程と、
前記第１の層間絶縁膜上に第２の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の層間絶縁膜に前記第１のプラグに達する第２のホールを形成する工程と、
前記第２のホール内で前記バリア膜上端部を選択エッチングする工程と、
前記第２のホール内に、前記第１のプラグに接続する第２のプラグを形成する工程を有する半導体装置の製造方法。 Forming a first interlayer insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a first hole in the first interlayer insulating film;
Forming a barrier film in the first hole;
Filling the first hole with a conductive material to form a first plug;
Forming a second interlayer insulating film on the first interlayer insulating film;
Forming a second hole reaching the first plug in the second interlayer insulating film;
Selectively etching the upper end of the barrier film in the second hole;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a second plug connected to the first plug in the second hole. 半導体基板上に第１の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の層間絶縁膜に第１のホールを形成する工程と、
前記第１のホール内にチタン含有バリア膜を形成する工程と、
前記第１のホール内に導電材を充填して第１のプラグを形成する工程と、
前記第１の層間絶縁膜上に第２の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の層間絶縁膜に、フッ素原子含有成分を含むエッチングガスを用いたドライエッチングを行って、前記第１のプラグに達する第２のホールを形成する工程と、
前記第２のホール内で前記バリア膜上端部が変質して形成された変質層を選択エッチングして除去する工程と、
前記第２のホール内に、前記第１のプラグに接続する第２のプラグを形成する工程を有する半導体装置の製造方法。 Forming a first interlayer insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a first hole in the first interlayer insulating film;
Forming a titanium-containing barrier film in the first hole;
Filling the first hole with a conductive material to form a first plug;
Forming a second interlayer insulating film on the first interlayer insulating film;
Forming a second hole reaching the first plug by performing dry etching on the second interlayer insulating film using an etching gas containing a fluorine atom-containing component;
Removing the altered layer formed by altering the upper end portion of the barrier film in the second hole by selective etching;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a second plug connected to the first plug in the second hole. 前記の選択エッチングは、前記バリア膜上端部が前記導電材上端部に対して後退するように行う、請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。   3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the selective etching is performed such that an upper end portion of the barrier film recedes with respect to an upper end portion of the conductive material. 前記の選択エッチングは、塩素、三塩化ホウ素および塩化水素の少なくとも一種を含むエッチングガスを用いたドライエッチングである、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。   4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the selective etching is dry etching using an etching gas containing at least one of chlorine, boron trichloride, and hydrogen chloride. 5. 前記バリア膜は窒化チタン膜である、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the barrier film is a titanium nitride film. 前記導電材は金属である、請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the conductive material is a metal. 前記導電材はタングステンである、請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the conductive material is tungsten.
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